2017年冬季南京市一次连续雾霾的气象条件分析

王珺雨，陈 丹

(南京信息工程大学，江苏 南京210044)

1 引言

21世纪，随着城市化进程的加速和大型重工业区的兴建，城市区域扩张加剧，人口过度增长，污染物排放日益增加，加上不利的气象条件影响，导致国内外诸多城市空气质量管理中的突出问题——雾霾现象日益严重，环境污染正在严重威胁着人类的生产和发展。

雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的统称，雾和霾其实是两种概念，空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾，也称灰霾。二者的区别在于发生霾时相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和的。一般相对湿度小于80%时的大气混浊和视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度介于80%～90%之间时的大气混浊和视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾[1]。相关研究表明，大多数污染过程都伴随着霾和雾的混合物。雾霾频发不仅与工业废气偷排以及煤炭、石油的过度使用有关，也与气象条件密切相关，稳定静风天气有利于雾霾形成[2]。

2017年12月份，南京市遭遇了连续污染，多达19个污染天，其中12月15日、22日、23日和31日这4 d的空气质量都达到了重度污染，超标天数中以PM2.5为首要污染物的天数最多，其次是PM10。尤其是12月20～31日南京出现了多次污染过程，除了24日、27日10时至29日08时南京空气质量维持在“良”以外，其余时间均为污染，其中12月23日早晨空气质量指数AQI(Air Quality Index)甚至超过了300，达到严重污染，对公路、铁路、航空、航运以及人体健康等都有很大影响。因此本文利用南京市山西路站空气监测指数和气象要素对本次连续污染过程进行分析。

2 数据来源

资料来自南京市环保局提供的南京市山西路站逐时空气监测数据，包括AQI、PM2.5、PM10；南京市气象台提供的南京观测站能见度、相对湿度、气压、近地面风速以及气温、位势高度等要素。

3 AQI与各气象要素的关系

3.1 AQI与能见度及风速的关系

目前把包含PM2.5浓度变化的AQI(Air Quality Index)指数作为大气污染指标。大气污染程度分为：轻度污染(101≤AQI≤150)、中度污染(151≤AQI≤200)、重度污染(201≤AQI≤300)、严重污染(AQI＞300)[3]。

图1 12月20～31日南京山西路站AQI和能见度逐小时分布

图2 12月20～31日南京山西路站AQI和风速逐小时分布

由图1发现，AQI与能见度呈显著负相关。当污染加重时，能见度随之降低，污染减轻时，能见度明显好转。此外从图中还可以发现，AQI和能见度常常出现日变化特点。每日下午污染有所减轻，能见度有所升高，这可能由于下午温度升高，空气粒子活跃，湍流旺盛所致。

据南京市气象台天气报告，12月下旬经历了两次弱冷空气过程，分别是23日后期和27日凌晨以后，风力明显增大，所以24日00～18时以及27日10时至29日08时受冷空AQI指数迅速下降，空气质量好转至优－良。但是冷空气过后风力减小(图2)，大气又恢复静稳状态，有利于污染物在城市上空堆积，25～26日、29～31日又出现了持续污染。进一步分析22～23日南京站风向频率发现，南京城区受到西北气流影响频率较高，城区西北部工业园区排放量大，也可能是23日遭遇严重污染的原因之一。

3.2 相对湿度与高低空温压场配置

图3为12月20～31日南京山西路站AQI和相对湿度逐小时分布，可见2017年12月下旬相对湿度介于40%～95%之间，大多数时间段相对湿度维持在80%以上，湿度较大，污染天气主要由霾和雾的混合物共同造成。22、23、31日重污染发生时，都伴有较高的湿度，而当27日10时至29日08时空气质量改善后，湿度随之下降。可见湿度对于雾霾污染也非常重要，这主要是由于气溶胶粒子吸湿增长，易使得污染加重。图4为2017年12月20～23日500 hPa高度场，中高纬度主要维持平直的西风环流，30°N有短波槽活动，长三角地区受短波槽前弱西南气流影响，这样的高层环流有利于长三角地区维持较高的相对湿度。从850hPa温压场配置来看(图5)，23日污染过程发生前，南京位于冷暖平流交界附近的暖平流区，冷暖平流交界附近存在冷暖空气混合，暖空气降温，冷空气增湿，从而有利于雾滴形成和气溶胶粒子吸湿，在其他有利的气象条件下导致严重雾霾。

图3 12月20～31日南京山西路站AQI和相对湿度逐小时分布

3.3 逆温条件

研究表明，静稳天气不利于污染物扩散[4，5]。当大气层结出现逆温时，有利于静稳天气出现，这是因为通常情况下大气下暖上冷，有利于空气对流扩散，地面的污染物也会随之扩散。但是如果有逆温层存在，轻的暖空气在上面，重的冷空气在下面，这个结构很稳定，像一层厚厚的被子罩在城市上空，上下层空气减少了对流交换，近地面层大气污染物原地堆积，空气污染势必加重。

图4 12月20～23日500 hPa高度场(单位：dagpm)

图5 12月20～23日850 hPa位势高度场

由表1可以看出，当冷空气影响后，空气质量优良时(24日、27日)没有逆温；而当污染出现时常常伴有逆温，例如22～23日、26日、29～31日。

图6表明，23日、25－26日，29－31日出现雾霾天气时，气压出现明显上升。这是因为有逆温存在时，地面温度降低，气压升高，风速小，不利于污染物的扩散。

综合以上分析，本次持续雾霾过程与各气象要素关系密切。冷空气活动不频繁，强度弱，风力持续偏小，相对湿度较大以及逆温形成的静稳天气是雾霾持续的主要原因。

表1 12月20～31日08时南京观测站上下层温度差℃

图6 12月20～31日南京山西路站AQI和气压逐小时分布

4 结论

利用南京市山西路站逐时空气监测数据和南京市气象要素资料，对2017年12月下旬南京市持续雾霾过程及其与气象要素的关系进行了分析，得到以下结论。

(1)2017年12月下旬南京市持续雾霾天气与气象条件关系密切。冷空气活动不频繁，强度弱，风力持续偏小，是雾霾持续的主要原因之一。

(2)12月下旬大多数时间段相对湿度维持在80%以上，湿度较大，气溶胶粒子吸湿增长，使得主要由霾和雾的混合物造成的污染加重。20－23日中高纬度主要维持平直的西风环流，长三角地区受弱西南气流影响，低层冷暖空气混合，这样的高低层环流有利于长三角地区维持高的相对湿度，导致严重雾霾。

(3)除24日和27日以外，逆温的存在形成静稳天气，风速小，上下层空气减少了对流交换，近地面层大气污染物原地堆积，空气污染加重。